S1E04.pdf

METODOLOGÍA DESARROLLADA PARA PRÁCTICAS DE
PROGRAMACIÓN DE MICROCONTROLADORES PIC
M.A. VICENTE, C. FERNÁNDEZ., y M.N. ROBLES
Dpto. de Ingeniería de Sistemas Industriales. Universidad Miguel Hernández. Elche, España.
[email protected], [email protected]
En esta ponencia se presenta la metodología utilizada en la asignatura Sistemas
Electrónicos y Automáticos, de la Universidad Miguel Hernández, para la
realización de prácticas de programación de microcontroladores PIC. Se
propone, básicamente, la realización de prácticas mediante el uso de un
entrenador o placa de evaluación de microcontroladores y también mediante la
simulación software de dicho entrenador.
1. Introducción
En este artículo se presenta la metodología utilizada en la asignatura Sistemas Electrónicos y
Automáticos [1], de la Universidad Miguel Hernández, para la realización de prácticas de programación
de microcontroladores PIC [2].
La asignatura Sistemas Electrónicos y Automáticos se imparte actualmente en cuarto curso de la
titulación de Ingeniería Industrial. Se trata de una asignatura troncal de 10.5 créditos, siendo 6 de ellos
teóricos y 4.5 prácticos. En el programa de la asignatura se pueden distinguir dos bloques temáticos
diferenciados correspondientes a cada uno de los cuatrimestres del curso: en el primer cuatrimestre se
imparte el bloque temático correspondiente a Sistemas de Control en el Espacio de Estado, y en el
segundo cuatrimestre se imparte el temario relativo a Instrumentación de control, cuyo temario se basa
fundamentalmente en la programación de microcontroladores PIC (80% del total de este cuatrimestre).
2. Experiencia en la docencia de programación de microcontroladores
La docencia universitaria en programación de microcontroladores es compleja y rápidamente
cambiante, a diferencia de asignaturas clásicas como Teoría de Circuitos, por poner un ejemplo, donde los
conceptos teóricos (leyes de Kirchoff, teoremas de Thevenin, Superposición, etc) y las prácticas no tienen
porqué cambiar todos los años, salvo los enfoques particulares de cada profesor. En las asignaturas
relativas al estudio de microcontroladores es necesario actualizar tanto el temario como las prácticas,
puesto que los diferentes microcontroladores que aparecen en el mercado cambian rápidamente con el
tiempo, dejando obsoleto el temario y los equipos de prácticas.
En el caso concreto de la asignatura objeto de este artículo, las prácticas comenzaron en el curso
2000-2001, con el microcontrolador tipo Von-Neumann Motorola 68HC11 [3] y el entorno de desarrollo
HandyBoard [4]. En poco tiempo, los microcontroladores tipo Harvard coparon el mercado, y en concreto
la familia de microcontroladores PIC de Microchip [2] se ha expandido hasta convertirse en líder del
mercado. Ante esta situación, en el curso 2003-2004 se adquirieron nuevos equipos de prácticas basados
en el entrenador MicroPIC Trainer [5] (gama media de la familia PIC). Durante dos cursos académicos se
realizaron prácticas con los equipos antiguos y los equipos nuevos simultáneamente, lo que permitía que
los alumnos conociesen las particularidades de cada tipo de microcontrolador; sin embargo los resultados
no fueron buenos dado que conocer dos juegos de instrucciones y dos arquitecturas completamente
diferentes resultaba excesivamente complicado para un solo cuatrimestre de la asignatura. La decisión
final ha sido utilizar exclusivamente los microcontroladores de la familia PIC para las prácticas.
(a)
(b)
Figura 1. Detalles de los entrenadores a) Handy Board y b) MicroPIC Trainer.
Figura 2. Detalle de la placa de evaluación EasyPIC4
Incluso dentro de la familia PIC, ha sido necesaria una renovación. A partir del pasado curso 2006-2007 se
han adquirido unas nuevas placas entrenadoras (EasyPIC4 [6]), que ofrecen diversas ventajas respecto de
las anteriores placas MicroPIC Trainer, entre las que destacan:
•
•
•
En los entrenadores EasyPIC4, el software de grabación funciona bajo sistema operativo
Windows (en el caso de las placas MicroPIC Trainer era necesario trabajar bajo sistema operativo
DOS).
Disponen de más dispositivos gráficos, como un GLCD y hasta cuatro displays 7 segmentos,
además de otros tipos de periféricos.
Es posible conectar en sus zócalos cualquier microcontrolador PIC de gama media (en el caso de
las placas MicroPIC Trainer las opciones eran más escasas). En concreto, el sistema EasyPIC4
admite microcontroladores de 8, 14, 18, 28 y 40 pines.
Actualmente, en la asignatura Sistemas Electrónicos y Automáticos, se utilizan como modelos de
microcontroladores PIC a estudiar el PIC16F84A y el PIC16F877A, pertenecientes ambos a la gama
media de Microchip.
Figura 3. Microcontroladores PIC utilizados en la asignatura
A continuación se muestran las características generales del PIC16F877A:
•
Procesador de arquitectura RISC avanzada:
• Juego de sólo 35 instrucciones con 14 bits de longitud. Todas ellas se ejecutan en un ciclo de
instrucción, menos las de salto que tardan dos.
• Hasta 8K palabras de 14 bits de memoria de programa tipo FLASH.
• Hasta 368 Bytes de memoria de datos RAM.
• Hasta 256 Bytes de memoria de datos EEPROM.
• Pines de salida compatibles con los microcontroladores PIC16CXXX y PIC16FXXX.
•
Recursos analógicos:
• Conversor Analógico/Digital de 10 bits.
• Reset de Brown-Out (BOR).
• Módulo de comprarador analógico.
•
Recursos especiales:
• Código de protección programable.
• Modo SLEEP de bajo consumo.
• Perro Guardián (WDT).
• Programación serie en circuito con dos pines. Sólo necesita 5V para programarlo en este modo.
•
Recursos periféricos.:
• Timer0: Temporizador-contador de 8 bits con prescaler de 8 bits.
• Timer1: Temporizador-contador de 16 bits con prescaler, puede incrementarse en modo sleep de
forma externa por un cristal/clock.
• Timer2: Temporizador-contador de 8 bits con registro de periodo, prescaler y postescaler.
• Dos módulos de Captura, Comparación, PWM.
• Puerto Serie Síncrono (SSP) con SPI (Modo maestro) e I2C (Master/Slave).
• USART/SCI (Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter) con 9 bits.
• Puerta Paralela Esclava (PSP) con control externo RD, WR y CS (sólo en encapsulados con 40
pines).
•
Tecnología CMOS.:
• Voltaje de alimentación comprendido entre 2,0V y 5,5V.
• Bajo consumo.
Para más información sobre el microcontrolador se recomienda ver la hoja de características del
componente disponible [2].
3. Entorno de desarrollo EasyPIC4
El sistema de desarrollo EasyPIC4 consiste en un entrenador o placa didáctica de evaluación para
aplicaciones basadas en los microcontroladores Microchip PIC. Se ha diseñado para permitir a estudiantes
e ingenieros explorar y trabajar con las capacidades de los microcontroladores PIC. Permite además,
concentrarse principalmente en el desarrollo del software puesto que las conexiones entre
microcontroladores PIC y circuitos externos son muy sencillas de realizar.
Dispone de una serie de periféricos básicos de E/S con los que se puede verificar el funcionamiento
de una aplicación, así como los circuitos necesarios para la grabación de diversos modelos de
microcontroladores PIC. En la figura 2 se aprecia el aspecto del equipo EasyPIC4 y en las figuras 4 y 5
algunos detalles de los periféricos.
El sistema de desarrollo EasyPIC4 se presenta totalmente montado, a excepción del LCD, GLCD y
el sensor de temperatura, con un manual donde se incluye un tutorial con diversos ejemplos de
demostración.
También se incluye un CD-ROM con las diferentes herramientas de diseño así como los programas
fuentes de los ejemplos propuestos en el manual. En la tabla 1 se enumeran las principales características
del sistema EasyPIC4.
Figura 4. Detalle de los leds y el LCD de la EasyPIC
Figura 5. Imágenes mostradas en el GLCD de la EasyPIC
4. Simulación software del entrenador EasyPIC4
Además del problema de la actualización continua de los equipos, existe otro problema en esta
asignatura: la dificultad de programar los equipos de prácticas es normalmente demasiado elevada como
para que las prácticas den resultados satisfactorios para la mayor parte de los alumnos. El tiempo
disponible durante las sesiones de laboratorio es normalmente escaso para corregir todos los errores de
programación en que puede incurrir un programador inexperto. Por esta razón, se ha decidido facilitar a
los alumnos un entorno de simulación en el que pueden realizar las prácticas sin necesidad de acceder al
equipo hardware. Este entorno de simulación está basado en el software Proteus [7], que permite la
simulación de circuitos electrónicos con microcontroladores.
Se ha desarrollado un esquema Proteus que simula exactamente la tarjeta de entrenamiento
EasyPIC4. Con este software los alumnos pueden trabajar en los programas de sus prácticas tanto durante
las sesiones de laboratorio como desde sus hogares, si lo desean. De este modo, disponen de tiempo
suficiente para depurar sus programas. Adicionalmente, también se ha desarrollado un esquema que
simula parcialmente el funcionamiento del entrenador (se han eliminado algunos de los periféricos). En la
figura 6 podemos ver un detalle de este entrenador básico, y en la figura 7 el esquema completo para el
entrenador EasyPIC4.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
Alimentación mediante fuente de alimentación externa AC/DC de 8 a 16 V.
Selector de fuente de alimentación externa o vía USB.
Programador USB integrado.
Sensor de temperatura DS1820..
Comunicación RS232 con selección TX y RX para microcontroladores pequeños.
Potenciómetros P1 y P2. Algunos pines están conectados a dichos potenciómetros pudiendo utilizarse
para medir tensiones.
Mediante los interruptores SW1 se conecta el PORTA a una red de resistencias. Si un interruptor se
encuentra en la posición OFF, el pin asociado no estará conectado con la resistencia pull-up o pulldown. Esto es importante ya que permite que el PORTA pueda ser utilizado en modo analógico como un
conversor A/D o como un puerto digital de E/S.
Jumpers. Al situar el jumper en la posición de arriba (pull-up) aparece un uno digital en el puerto
correspondiente. Si el jumper se encuentra en la posición de abajo (pull-down), los pines reciben un cero
lógico (pull-down).
Conexionado de un LCD en modo 4 bits.
Conexionado de un LCD gráfico o un LCD en modo de 8 bits.
Zócalos para situar los microcontroladores en DIP8, DIP14, DIP18, DIP20, DIP28 y DIP40.
36 botones para controlar todos los pines del microcontrolador.
Jumper para seleccionar la forma en la que afectará el apretar el botón al pin.
LEDs, cada pin del microcontrolador tiene asociado un LED.
Displays de 7 segmentos en modo multiplexor.
Interruptores que encienden o apagan los LEDs de los puertos PORTA, PORTB, PORTC, PORTD y
PORTE.
Selección de contraste del LCD.
Control de fuente de alimentación.
Comunicación USB para MCU con soporte USB
Conector para el teclado.
Circuito de reset.
Tabla 1. Principales características de la placa de evaluación EasyPIC4
Figura 6. Esquema Proteus del entrenador básico inspirado en EasyPIC4
Figura 7. Esquema Proteus del entrenador EasyPIC4
5. Programa práctico propuesto para la asignatura
Actualmente, el programa práctico de la asignatura consta de diez sesiones de dos horas de
duración cada una, en las que se profundiza paulatinamente en la programación de microcontroladores. A
continuación se enumeran los títulos de estas prácticas (el contenido completo de las mismas es accesible
desde la página web de la asignatura [1]):
1. Entorno de desarrollo MPLAB-IDE. Primeros ejemplos de programación.
2. Programas básicos. Tipos de direccionamiento.
3. Bucles.
4. Entorno de desarrollo EasyPIC4.
5. Medida del tiempo en un PIC.
6. Gobierno del display 7 segmentos.
7. El módulo LCD.
8. El módulo LCD (II).
9. Interrupciones.
10. Interrupciones (II).
Puede apreciarse que las tres primeras sesiones prácticas sirven únicamente como introducción a
la programación en ensamblador, y no se desarrollan sobre los entrenadores EasyPIC4. Para estas tres
prácticas se utiliza el entorno de desarrollo gratuito MPLAB-IDE [2] (ver detalle en Figura 8), que los
alumnos pueden instalar en sus ordenadores personales para realizar las prácticas desde sus hogares. El
resto de las sesiones se pueden llevar a cabo tanto sobre los equipos hardware disponibles en el laboratorio
(EasyPIC4) como en simulación utilizando los esquemas Proteus que se les suministran (básico y
completo). De este modo, los alumnos tienen la posibilidad de trabajar desde sus casas en todas las
prácticas de la asignatura.
La mayor parte de los programas propuestos en las prácticas están basados en los magníficos
ejemplos propuestos en [8]. Los programas originales están desarrollados para el PIC 16F84A, pero en
nuestro caso hemos decidido utilizar un PIC superior para poder hacer uso de más periféricos disponibles
en el entrenador EasyPIC4. Por esa razón se han adaptado los programas para el PIC 16F877A. También
ha sido necesario un trabajo de adaptación para que los programas propuestos en [8], cada uno de los
cuales hace referencia a un hardware específico, funcionen sobre un mismo equipo (el entrenador
EasyPIC4).
6. Conclusiones
En este artículo se ha descrito la metodología que se utiliza actualmente en la asignatura
Sistemas Electrónicos y Automáticos, de la Universidad Miguel Hernández, para la docencia teórica y
práctica de programación de microcontroladores. Como hemos visto, se utilizan los microcontroladores
PIC de gama media como modelos a estudiar y, en las prácticas de laboratorio se hace uso de un
entrenador o placa de evaluación de microcontroladores para ayudar al desarrollo y comprensión de los
programas en ensamblador.
Figura 8. Detalle del software de edición, depuración, ensamblado y simulación MPLAB-IDE
Referencias
[1] Asignatura Sistemas Electrónicos y Automáticos en la Universidad Miguel Hernández,
http://coolab.umh.es/teaching/sea_oficial/default.htm
[2] Microchip, http://www.microchip.com/
[3 ] Motorola 68HC11, http://isa.umh.es/isa/es/temas/micros/doc/doc.html#HC11
[4 ] Handy Board, http://isa.umh.es/isa/es/temas/micros/doc/doc.html#HB
[5] MicroPIC Trainer http://www.msebilbao.com/tienda/product_info.php?products_id=111
[6] Entorno de desarrollo EasyPIC4, http://www.mikroe.com/en/tools/easypic4/
[7] Proteus, http://www.ieeproteus.com/
[8] E. Palacios, F. Remiro y L.J. López, Microcontrolador PIC16F84, Desarrollo de proyectos, Editorial Ra-Ma
(2004)